CN1263411A - 线性三色图象传感器 - Google Patents

Abstract

一种改进的彩色图象线性传感器,它使得采用三排光检测器的传感器中常见的定位问题减到最小。具体地说,按照本发明的一个实施例,在这种改进的彩色图象线性传感器中,各光检测器均做成三角形,并使各三角形的光检测器交替地散置在倒置的各三角形光检测器之间。

Description

线性三色图象传感器

本发明涉及图象传感系统，更具体地说，涉及一种具有三种色彩光检测器的线性图象传感器。

有许多应用需要一个图象扫描系统，以将一扫描对象转换成为一种电子形式，以便随后分析、打印、分发和归挡。所述的电子形式一般就是所述扫描对象的一幅图象。图象扫描系统的一个典型例子就是一台扫描仪，而扫描对象就是一本书或一篇文章中的一页纸。通过扫描仪，便产生了该纸张的电子或数字图象。

一个图象扫描系统一般包括一传感组件，用以从光学上将一目标转换为一图象。从光学上将所述目标转换成为一图象的传感组件中关键元件是一个图象传感器，它包括排成某种阵列的光检测器。这些光检测器能响应照射到所述图象传感器上的光。每一个光检测器均产生一个代表从所述目标反射的光的强度的电子(电荷)信号，来自所有光检测器的电子信号被读出，随后通过一模拟量到数字量转换器进行数字化处理，以产生所述目标的数字信号或图象。

在图象扫描系统中，有一种被使用的图象传感器是线性传感器，它包含三行光检测器，在它们上面分别叠加上与每一个光检测器定位的选择性透射滤光片。图1显示了一例线性图象传感器100，它包含三排光检测器102，104，106。每一排前面均置有对某一特定光谱区敏感的透射滤光片。例如，在排号102，104和106中所有光检测器分别叠加上一个红色滤光片，一个绿色滤光片和一个蓝色滤光片。因此，当图象传感器100中的光检测器被曝光于由一白色照明光源所照亮一扫描对象时，图象传感器100同时产生三个电子信号。

与图象传感器100有关的值得关注的问题之一是需要一些辅助的缓冲存储器和处理过程来重新组合电子信号，以便精确地表述每一个定位的图象象素。三排中每一排中对应的三个光检测器在物理上并不是定位到一个扫描点上，这是由于在三排光检测器及分别支持这些光检测器的有关电路之间的间隙所致，因此必须要先进行一个象素定位的处理过程，然后才能使用由之产生的电子信号或后续的数字信号。

不断有人作出努力来使这种定位的问题减至最小。一种方法是通过减少光检测器的尺寸来减少两排光检测器之间的间隙，以使三排中每一排中对应的各光检测器能刚刚定位。然而，光检测器尺寸的显著减少会导致图象灵敏度的问题。因而，强烈需要一种彩色图象传感器，它没有定位问题，而且只需要最少的缓冲存储器和处理过程，却能输出一个类型和质量令人满意的彩色图象信号。

本发明的研制过程中考虑了上面提到的各个问题和需求，并且特别适用于扫描仪、传真机和复印机中所用的图象传感器。通过下面将要介绍的各项特征和优点，本发明可以很方便地用于便携式扫描装置。

图象扫描系统通常都包含一个传感组件，使扫描对象用光学方法转换成一种图象。用光学方法将扫描对象转换成图象的传感组件，其中的关键元件是一个图象传感器。一个图象扫描系统采用本发明的彩色图象传感器时，就可以省略掉用于重新组合来自各个光检测器的电子信号的缓冲存储器和处理过程，从而可以提高扫描速度。此外，当对一黑白扫描对象进行扫描时，由于在这种图象传感器中的光检测器的独特排列，图象的分辨率自然而然地翻了一翻。

按照本发明的一个方面，所公开的彩色图象传感器包含一排光检测器，这些光检测器中每间隔一个均呈三角形，而夹在它们每两个之间的另外一些光检测器则呈倒三角形。由许多单个滤光元件制成的滤光片按照一对一对齐的方式重叠在这些光检测器上。在其中，这些滤光元件每隔一个均具有一种第一光谱透过特性，而夹在它们每两个之间的另外一些滤光元件则具有一种第二光谱透过特性和一种第三光谱透过特性中的一种。

上文所述的各项目标和优点通过下文所述的本发明的实施而体现，并产生出附图中所示的实施例。

本发明的这些以及其它的一些特征、观点和优点通过参考下面的描述、所附的权利要求书和附图可以得到更好的理解，其中：

图1显示了包含三排光检测器的彩色图象传感器的一个示例；

图2A显示了根据本发明的一个实施例的一种改进的彩色图象传感器；

图2B显示了对应于图2A中所示彩色图象传感器的各光检测器的图象象素；

图3显示了在一套示例性的彩色象素中的各彩色分量；

图4显示了当这种图象传感器用于扫描一个黑白扫描对象时，对各光检测器是如何考虑的；

图5A显示了一幅电路图，该电路可用于读出在图2A所示的图象传感器的各光检测器中所产生的电子信号；

图5B显示了用于图5A中所述电路的一组控制信号。

在下文关于本发明的详细描述中，提供了许多具体的细节以供透彻地理解本发明。然而，对熟悉本领域的技术人员而言，不采用这些具体细节也可以实施本发明是显而易见的。本文中的描述和说明是本技术领域中有经验的或熟练的人员为了最有效地将他们工作的内容传递给本技术领域中的其他人员所用的共同方法。在其它情况下，众所周知的方法、过程、装置和电路等均未详细介绍，以避免将本发明的观点不必要地搞混淆。

一幅彩色图象一般是由三幅不同强度的图象组成，它们分别由曝光于一个彩色物体的三个主要颜色分量所产生。要使产生曝光于三个主要颜色分量的常用的办法之一是使用一种图象传感器，它包含许多个光检测器，并在它们上面叠加一个镶嵌式滤光装置，该装置由许多具有选择性的透射滤光片组成，并且与所述光检测器中的每一个分别对齐，并使之形成第一、第二和第三三组选择性强的光检测器。以分别感知可见光谱中的红、绿、蓝区。因而，只有红、绿和蓝三个分量能通过这些滤光片，从而获得三幅具有各自强度的图象。

具有代表性地是，这些具有各自强度的图象，或者更精确地说是它们的数字存放格式之中，如果以8位精度表示的话，每一幅都是一个其值在0至255之间许多象素(pixel)的阵列或矩阵，换句话说，在一幅彩色图象中的每一个彩色象素C(i，j)都是一个矢量象素，并可用下式表示： $C\left(\mathrm{ij}\right)=\left[\begin{array}{c}R(i,j)\\ G(i,j)\\ B(i,j)\end{array}\right]$

式中，(i，j)是一个彩色图象象素的坐标，而C表示所述彩色图象，而R、G、B则分别代表在彩色图象C中具有各自强度的三幅图象。上述表达式也表明，只有在各强度分量R(i，j)、G(i，j)和B(i，j)都对准时，即它们都是来自一个彩色物体的同一个点时，一个彩色象素才能被有效地表达。

如果在三幅单色图象的每一幅中，相对应的图象象素的组合S具有完全相同的值，即R(i，j)＝G(i，j)＝B(i，j)(其中(i，j)在S之内)时，则在彩色物体上对应于该组合S的一点必定是无色彩的，在视觉上呈现从暗黑到白色的某一处，反之，如果在三幅单色图象的每一幅中，这些象素的组合具有不同的值，即R(i，j)≠G(i，j)≠B(i，j)，则在该彩色物体上对应于该组合S的那一点在视觉上应呈彩色。例如，一个纯红、纯绿或纯蓝色的矢量象素分别被表达为C(i，j)＝[255，0，0]^T，C(i，j)＝[0，255，0]^T，或C(i，j)＝[0，0，255]^T。为了确保彩色物体能在一幅彩色图象中准确地再现，必须对彩色成像系统进行细致地控制，以便能产生出经组合后能在所生成的彩色图象中再现该彩色物体的各种色彩的各单色图象。

按照本发明的一个实施例，本文所论述的图象传感器是一个直线的阵列，或称线性传感器。这意味着这种图象传感器一次产生一行彩色信号。所有这些彩色信号按顺序合成便产生一幅彩色图象。在不失普遍性的前提下，本文所述的图象传感器产生三种颜色的信号，即红、绿、蓝三种单色信号，每一种均由经过一次色彩过滤的曝光产生。

图2A显示了本发明实施的一种改进的图象传感器200的布置图。图象传感器200系由互补金属氧化物半导体(CMOS)，或由电荷耦合器件(CCD)制成，并包含许多三角形的光检测器，其中头20分别标记为G1，R2，G3，B4，G5，R6，G7，B8，G9，R10，G11，B12，G13，R14，G15，B16，G17，R18，G19，B20。

如图所示，这些三角形的光检测器以这样一种方式排列，以使得这些三角形的光检测器在所形成的彩色象素之间没能垂直的和水平的间隙。或使这种间隙达到最小值。更具体地说，所有那些向上的三角形光检测器，例如G1，G3，G5，G7，G9，G11，G13，G15，G17，和G19均涂复或叠加一种对绿色(Green)光谱区灵敏的透射滤光片层(以下称之为绿光检测器)，而所有的倒置三角形的光检测器，例如R2，B4，R6，B8，R10，B12，R14，B16，R18和B20则交替地分别涂复或叠加以一种对红色(Red)或蓝色(Blue)光谱区灵敏的透射滤光片层(以下分别称之为红光检测器和蓝光检测器)，在该图中清楚地显示出：在这些红光检测器和蓝光检测器之间，交替地散置着这些绿光检测器。也可以换一种说法，就是这些倒置的三角形的红或蓝光检测器是散置在这些三角形的绿光检测器的每两个之间。

此外，在这里，一个倒置的三角形被看作是一个三角形的互补形状。换言之，一般所说某第一形状是某第二形状的互补形状时，那就意味着，与第二形状完全相同的第一形状在巅倒过来之后，能够与第二形状拼合或配对。图2B显示了另一种可能的形状，即，这种形状的一部分很好地配合到一个相应的倒置的形状中去。要注意的是：一个正方形或一个圆不能看作是互补的，因为它不能与另一个正方形配合。

由于采用了这种布置，从图象传感器200进行一行信号的采样是依顺序进行的，并且是均匀一致的，这一点可以很容易地从图2C看出来。更重要的是，这种排列使水平方向两个相邻的色彩象素之间的间隔达到最小，这对通常使用的正方形光检测器而言，几乎是不能达到的。这样一来，在彩色图象传感器中通常可见的图象定位的问题便显著地减少了。

为了表示矢量象素，图3显示了一个彩色象素是如何从这种独特的排列形成的，同时又不会带来象素定位的问题。结合图2A和图2C来理解。图3之中的表300列出了从图2A的图象传感器200所产生的10例彩色象素。排号302列出了10个象素：P1，P2……，P10。而在排号304，306和308中，显示了这些彩色象素中每一个象素各自的绿色、红色和蓝色的分量。在本文中，这也意味着：一个红、绿或蓝光检测器指的是一个只对红、绿或蓝色响应的光检测器。

具体来说，来自每一个绿光检测器的信号代表着一个彩色象素的一个分量，而来自每一个红和蓝光检测器的个自信号则成为在两个相邻的彩色象素中各自的共同分量。例如，彩色矢量象素P1和P2具有来自两个不同的绿光检测器的一个绿色分量，但却共享来自同一个红和蓝光检测器的同样的红和蓝色信号。这样一来，在两个彩色象素之间的水平间隙便被减至最小，同时又不会引起图象分辨率的损失。此外，结合图2A，可以很方便地从图3中看出：按照光检测器来看，各彩色象素以一个有规律的间隔出现，因而可以保证从各光检测器进行均匀的采样。

应当指出，上面关于本发明的描述是基于使用红、绿和蓝光检测器的一个实施例为基础的。熟悉本领域的技术人员可以认为这一描述也一样可以应用在采用其它的原色或互补色的彩色滤光片的场合。例如，洋红、黄和青蓝就是一组通用的、能用于产生彩色图象的替代性互补色。此外，采用一套绿光检测器，并用一些红和蓝光检测器交替地散布在其间并不是本发明实施的要求，然而，在实际生活中，这却是一种较佳的实施方案，因为人类的视觉系统对在一个彩色光谱中的绿色区的颜色要比其它颜色来得更为敏感。

在许多应用中，常常用一个彩色图象传感器来扫描一个非彩色的物体，或者简单地说，扫描一个黑白的物体。例如教科书上的某一页，并产生出一幅黑白的(灰色或单色的)图象。那是一种仅仅反映亮度的图象。为了确保每一种颜色的光检测器都能对来自黑白扫描物体的反射产生出同等响应的信号，采用了一套加权的系数来平衡来自所述各种颜色光检测器的不同光谱响应特性，具体如下：

        KG

        1.967KP

        5.360KB

其中，K为一调节因数，通常设定为1。换言之，来自绿光检测器的信号可以直接地标示到所产生的灰色图象上，而来自红和蓝光检测器的信号则被适当放大后标示到所产生的灰色图象上。这样处理的结果是，这种图象传感器对黑白扫描物体的分辨率自然而然地翻了一翻，如图4所示，其中每一个光检测器均能在所产生的亮度图象中产生一个图象象素。

现在请参见图5A，图中显示了一简化的电路图500，该电路用于读出图象传感器502中各个光检测器所产生的信号。图象传感器502可对应于图2A的图象传感器200，并包含许多排列成一排的光检测器503。为了使在水平方向上的定位问题减到最小，这些光检测器的形状最好是三角形的。更具体地说，就是在一排朝上的三角形光检测器中交替地散布着一排倒置的三角形光检测器，如图中清楚地显示出的那样。

多路器504包含多个二极管开关508，而每一个开关508均耦合到各光检测器中的一个上去。二极管开关508的每一个开关均由一个开关信号独立地控制。当各光检测器曝光于一个被照亮的扫描物体后，图中未示出的一个控制信号使这些光检测器停止进一步采集光子，所产生的电荷信号被贮存在各自的存储电容器(图中未示出)之中。同时，开关508顺序闭合。在存储电容器中，来自各光检测器的电子信号随后被顺序地读出到放大器511中。

这一读出过程是通过移位寄存器510来实现的。移位寄存器510通常包含与光检测器数目相同的单个移位寄存器。例如，一个脉冲信号Di反馈送到移位寄存器510，而Di借助时钟信号CLK从一个移位寄存器移到另一个移位寄存器中。当一个移位寄存器输出Di时，在二极管开关508中的一个相对应的开关便被闭合(即通过)，在对应的存储电容器中的一个相应的电子信号便从中读出。当Di通过时，在各存储电容器中的电子信号便顺序移出，随后由一A/D(模拟量/数字量)转换器512进行数字化转换。图5B显示了一个时钟信号520，从其中可以引导出许多控制信号。图中S1，S2，S3和S4就是一些示例性的控制信号(移位的Di)，它们接通4个依次相连的开关。来自A/D转换器512输出的数字信号530显示于图5B中。

本发明带有一定程度的特殊性且已经被相当充分地描述了。熟悉本领域的技术人员应该理解现在公开的本发明是通过一些具体的例子来说明的，而在器件的排列组合方面还可以有许多变化而不脱离本发明权利要求的精神和范围。例如，光检测器较佳的形状是三角形，熟悉本领域的技术人员可能认为其它形状的光检测器也可以如此设计，以使这些彩色光检测器可以更紧密地交替设置，从而使定位问题减至最小。因此，本发明的范围是由各项权利要求所限定，而不是由前面所述的实施例来决定的。

Claims (18)

1、一种彩色图象传感器，其特征在于包括：

一种第一型光检测器，它对第一光谱区敏感；

一种第二型光检测器，它对第二光谱区敏感；

一种第三型光检测器，它对第三光谱区敏感；

这三种类型的光检测器排列成一排且按重复模式排列。

2、如权利要求1所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一光谱区、第二光谱区和第三光谱区形成一个能再现人类视觉系统可见的多数色彩互补的彩色集合。

3、如权利要求2所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一光谱区是绿色，第二光谱区是红色，第三光谱区是蓝色。

4、如权利要求1所述的彩色图象传感器，其特征在于，

所述第一型光检测器上叠加一种对所述第一光谱区起作用的第一透射滤光片；

所述第二型光检测器上叠加一种对所述第二光谱区起作用的第二透射滤光片；

所述第三型光检测器上叠加一种对所述第三光谱区起作用的第三透射滤光片。

5、如权利要求4所述的彩色图象传感器，其特征在于，至少是所述第一型光检测器在每隔一个光检测器的位置上出现。

6、如权利要求5所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第二和第三型光检测器交替地散置于所述第一型光检测器之间。

7、如权利要求1所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一型光检测器中的每一个均为三角形，而所述第二和第三型光检测器中的每一个均为互补的三角形。

8、如权利要求7所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一型光检测器在每隔一个光检测器的位置上出现。

9、如权利要求8所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第二和第三型光检测器交替地散置于所述第一型光检测器之间。

10、一种彩色图象传感器，包括：

一排光检测器，所述光检测器中每隔一个的光检测器均为一种第一形状，而另外的每隔一个的光检测器均为一种第二形状；

一滤光装置，由若干单个滤光元件组成，并且一对一对配齐地叠加在所述各光检测器上；

其特征在于，所述各滤光元件中，每隔一个均具有第一光谱透射特性，而另外的每隔一个滤光元件均具有(1)第二光谱透射特性和

                          (2)第三光谱透射特性中的一个特性。

11、如权利要求10所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一形状和所述第二形状是互补的，且在两个相邻的图象象素之间的定位间隙达到最小。

12、如权利要求10所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一形状是三角形，所述第三形状是一倒置的三角形。

13、如权利要求12所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一光谱透射特性是绿色，第二光谱透射持性是红色，第三光谱透射特性是蓝色。

14、一种彩色图象传感器，其特征在于包括：

一排三角形的光检测器；

一排倒置的三角形的光检测器；以及

所述的每一个三角形的光检测器均散置在两个倒置的三角形光检测器之间。

15、如权利要求14所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述的每一个三角形的光检测器均涂复一种对第一光谱区起作用的滤光片；在所述的倒置的三角形光检测器中，每隔一个均涂复一种对第二光谱区起作用的滤光片；而在另外的每隔一个所述的倒置的三角形光检测器上则涂复一种对第三光谱区起作用的滤光片。

16、如权利要求15所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一光谱区对应于绿色；所述第二光谱区对应于红色；所述第三光谱区对应于蓝色。

17、如权利要求16所述的彩色图象传感器，其特征在于，当曝光于一非彩色的扫描物体时，每一个光检测器均对应于所产生图象的一个图象象素；其中，以使所产生的图象更加一般化，来自各个光检测器的信号均受到选自由K，1.967K和5.360K所组成的集合中的某一个因数的调节。

18、如权利要求17所述的彩色图象传感器，其特征在于，K设定为1。

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